Оценка и оптимизация режима и условий сварки

ЗАДАНИЕ

1 Провести теоретическое обоснование предложенной расчетной схемы.

2 Ориентируясь на допустимую скорость охлаждения для заданной стали. оценить предложенный заданием режим сварки с точки зрения рациональной скорости охлаждения без холодных трещин. При необходимости рассчитать температуру предварительного подогрева.

3 Рассчитать распределение температуры в предельном состоянии вдоль оси Х – Х, совпадающей с линией движения источника тепла. а также вдоль линий. параллельных оси Х – Х и отстоящих от нее на расстоянии 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 см.

4 Используя данные пункта 2 графически построить изотермы с температурой, равной 300 °С, 500 °С, Т=АС3.

6 Рассчитать и построить кривую распределения максимальных температур в сечении, перпендикулярном оси шва. Располагая полученной кривой определить ширину ЗТВ.

 

Варианты

исходных данных расчетного задания по дисциплине «Материалы и их поведение при сварке»

 

1 Расчетная схема: линейный подвижный источник тепла на поверхности полубесконечного тела.

 

Таблица 1 – Варианты расчетного задания

 

№ вари-анта Iсв, А Uд, В Vсв, м/ч Толщина плас-тины S, мм Марка стали Допустимая скорость охлаждения, W=ºС/с Температура наименьшей устойчивости аустенита, °С
1,5 0,65 20ХГСА
1,5 0,65 20ХГСА
1,5 0,65 20ХГСА
0,85 10ХСНД
0,85 10ХСНД
0,85 10ХСНД
1,5 0,65 30ХГСА
1,5 0,65 30ХГСА
1,5 0,65 30ХГСА
0,85 15ХСНД
0,85 15ХСНД
0,85 15ХСНД
0,85 35ХСНД
0,85 35ХСНД
0,85 35ХСНД
1,5 0,65 35ХСНД
1,5 0,65 35ХСНД
1,5 0,65 35ХСНД
1,5 0,65 40Х 2,5
1,5 0,65 40Х 2,5

Пример расчета.

 

Обоснование предложенной расчетной схемы

 

В соответствии с расчетной схемой задания рассмотрим линейный подвижный источник тепла в пластине. Пластиной является тело, имеющее две граничные поверхности, влияющие на распространение тепла (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Расчетная схема – бесконечная пластина

 

Примем следующие краевые условия:

– начальная температура Т0 всех точек тела одинакова и равна нулю;

– граничные поверхности не пропускают тепло (адиабатическое условие).

Так как температура по толщине пластины распределена равномерно. то в соответствии с законом Фурье тепловой поток в направлении оси Z равен нулю. Данная расчетная схема подвижного линейного источника соответствует ручной дуговой сварке металлов малой толщины со сквозным проплавлением за один проход.

 

Оценка и оптимизация режима и условий сварки

Одним из дефектов металла сварных соединений, который образуется при сварке и приводит к разрушению сварных конструкций, являются холодные трещины, которые возникают в результате образования закалочных структур, характеризующихся низкой пластичностью и образующихся в результате быстрого охлаждения.

Способы оценки склонности к образованию холодных трещин подразделяют на:

1) косвенные и прямые (по характеру процедуры оценки);

2) качественные и количественные (по характеру критерия оценки);

3) сравнительные и абсолютные (по характеру использования критериев оценки).

Косвенные способы позволяют оценивать склонность к трещинообразованию расчетным путем по химическому составу без испытания сварных соединений.

Для каждой стали характерна своя скорость охлаждения, при которой начинает проявляться закалка. эта скорость уменьшается с повышением содержания в стали углерода и большинства легирующих элементов, особенно сильно влияет углерод.

Для каждой стали существуют две критические скорости охлаждения: 1–я и 2–я. При 1–й начинается образование закалочной структуры. По мере увеличения скорости охлаждения объем закалочной структуры увеличивается, а при достижении 2–й скорости она занимает 100 % объема металла.

В сварных соединениях допускается некоторое количество мартенситной составляющей, порядка 25…30 %. такое количество мартенсита образуется при определенных скоростях охлаждения Wд, которые называют допустимыми.

В условиях медленного охлаждения распад аустенита начинается при температуре АС3 и заканчивается при АС1. Численное значение этих температур можно определить по диаграмме состояния «железо – углерод».

При сварке металл охлаждается с большой скоростью и критические температуры АС3 и АС1 смещаются в область более низких значений. считается, что при сварке распад аустенита наиболее интенсивно происходит в интервале температур 500…600 °С.

Практический интерес для сварщиков представляет мгновенная скорость охлаждения в интервале температур 600…500 °С, называемом интервалом наименьшей устойчивости аустенита. Если скорость охлаждения в этом интервале превышает допустимую, то существует опасность образования холодных (закалочных) трещин.

Для уменьшения количества закалочных структур и доведения их до допустимого уровня необходимо уменьшить скорость охлаждения в этом интервале, что достигается путем предварительного или сопутствующего подогрева металла в зоне сварки. Температуру предварительного подогрева можно определить исходя из выражения для определения скорости охлаждения. задавшись при этом допустимой для данной стали скоростью охлаждения.

Для рассматриваемого в задании линейного подвижного источника тепла в пластине скорость охлаждения рассчитывается по формуле 1.1 без учета теплоотдачи в окружающую среду.

С учетом различных факторов (жесткости изделия и др.) опытным путем для многих сталей установлены допускаемые скорости охлаждения. В соответствии с этим необходимо оценить мгновенную скорость охлаждения при температуре 500 °С в условиях предложенного режима сварки и сравнить ее с допускаемой скоростью охлаждения. Если расчетная скорость окажется больше допускаемой, то необходимо установить температуру предварительного подогрева, т.е. Тп .

Расчетная формула для определения скорости охлаждения на поверхности пластины имеет вид:

(1.1)

 

где

W500ДЕЙСТ – скорость охлаждения, °С/c;

=0,4 – коэффициент теплопроводности, Вт/см•К;

V =1 – скорость сварки, см/с;

То=20 – начальная температура, °С;

Т=520 – температура наименьшей устойчивости аусте-нита, °С;

=– коэффициент полезного действия (для РДС – 0,65, для АФ – 085);

Iсв = 120 – сварочный ток, А;

U д = 18 – напряжение дуги, В;

с = 4,8 – объемная теплоемкость, Вт/см•К;

V=1,5 м/ч – скорость сварки;

= 0,4 – толщина пластины, см.

 

Рассчитаем скорость охлаждения:

 

Так как W500ДЕЙСТ < Wдоп (0,2124 < 8), то при данных условиях для сварного соединения нет опасности образования холодных трещин, поэтому в данном случае предварительный подогрев не требуется и за начальную температуру принимается температура окружающей среды То=20 °С.

б) Если W500ДЕЙСТ > Wдоп. необходимо уменьшить погонную энергию сварки, либо назначить подогрев и определить температуру подогрева по формуле (1.2) и в дальнейшем использовать рассчитанную Тп:

(1.2)